[論文レビュー] A Possible Future Long Baseline Neutrino and Nucleon Decay Experiment with a 100 kton Liquid Argon TPC at Okinoshima using the J-PARC Neutrino Facility

A. Badertscher, T. Hasegawa+6 more|ArXiv.org|Apr 14, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、1.66 MWにアップグレードされたJ-PARCニュートリノビームを用い、日本・沖ノ島に100 ktonの液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LAr TPC）を設置する次世代の長基準長ニュートリノおよび核子崩壊実験を提案している。検出器は658 kmの基準長、約1°のオフアクシス角に位置し、LAr TPCの優れたエネルギー分解能とバックグラウンド抑制能力を活かして、ニュートリノ混合角θ₁₃およびCP対称性破れ位相δCPを高精度で測定可能であり、同時に10³⁴–10³⁵年範囲の高感度プロトン崩壊探索も可能である。

ABSTRACT

In this paper, we consider the physics performance of a single far detector composed of a 100 kton next generation Liquid Argon Time Projection Chamber (LAr TPC) possibly located at shallow depth, coupled to the J-PARC neutrino beam facility with a realistic 1.66 MW operation of the Main Ring. The new far detector could be located in the region of Okinoshima islands (baseline $L\sim 658$ km). Our emphasis is based on the measurement of the $θ_{13}$ and $δ_{CP}$ parameters, possibly following indications for a non-vanishing $θ_{13}$ in T2K, and relies on the opportunity offered by the LAr TPC to reconstruct the incoming neutrino energy with high precision compared to other large detector technologies. We mention other possible baselines like for example J-PARC-Kamioka (baseline $L\sim 295$ km), or J-PARC-Eastern Korean coast (baseline $L\sim 1025$ km). Such a detector would also further explore the existence of proton decays.

研究の動機と目的

• 100 ktonの液体アルゴンTPCを沖ノ島に設置し、次世代の長基準長ニュートリノおよび核子崩壊実験としての物理学的ポテンシャルを検討すること。
• T2K実験におけるθ₁₃が非ゼロである可能性の示唆を踏まえ、ニュートリノ混合角θ₁₃およびCP対称性破れ位相δCPへの感度を向上させること。
• 正確なエネルギースペクトル測定を通じて、ニュートリノ質量階層の決定およびパラメータのデゲネラシーの解消を評価すること。
• 浅い深度であっても、自らの遮蔽性と3次元イメージング能力を活かして、10³⁴–10³⁵年範囲のプロトン崩壊探索に高い感度を発揮できるかを評価すること。
• 同じ検出器概念を用いて、J-PARC–神岡（295 km）およびJ-PARC–東部朝鮮半島（1025 km）の異なる基準長における性能を比較すること。

提案手法

• 本実験では、J-PARCニュートリノビームを用い、沖ノ島に位置する100 ktonの液体アルゴンTPCを用いて、基準長約658 km、オフアクシス角約1°の条件でニュートリノ振動を観測する。
• 検出器は、LAr TPCが有する高いエネルギー分解能と微細な電荷イメージング能力を活かし、到着するニュートリノエネルギーを高精度に再構築することで、第1および第2の振動最大値の明確な分離が可能となる。
• ビームは、アップグレードされたJ-PARCメインリングに起因する現実的な1.66 MW出力で運転され、振動測定に十分な統計的精度を確保する。
• バックグラウンド抑制は、主にLAr TPCの優れた粒子識別能力とπ⁰バックグラウンドの効果的排除に依存しており、主な不消去的バックグラウンドはビームの固有のνₑ成分である。
• θ₁₃およびδCPの測定感度を評価するため、複数の基準長（295 km、658 km、1025 km）における性能を比較する。
• 本研究は、エネルギースペクトルの特徴と統計的感度に焦点を当てたシミュレーションベースの性能評価に依存しており、今後の作業として系統誤差のモデル化を予定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 658 kmの基準長を有する沖ノ島に100 ktonのLAr TPCを設置した場合、ニュートリノ混合角θ₁₃およびCP対称性破れ位相δCPの高精度測定が可能か？
• RQ2 LAr TPCのエネルギー分解能およびバックグラウンド抑制能力は、第1および第2の振動最大値を解明するにあたり、他の検出器技術と比較してどのように優れているか？
• RQ3 特にマルチプリングおよびケトンを含む崩壊モードにおいて、10³⁴–10³⁵年範囲のプロトン崩壊にどの程度の感度を示すか？
• RQ4 異なる基準長（295 km、658 km、1025 km）は、θ₁₃およびδCPの測定感度にどのように影響し、どの条件が最適な性能を発揮するか？
• RQ5 自らの遮蔽性と3次元イメージング能力を活かして、浅い深度であってもLAr TPCが高感度なプロトン崩壊探索を実現できるか？

主な発見

• 658 kmの基準長を有する沖ノ島の100 kton LAr TPCは、ビームのオフアクシス配置（約1°）と高いエネルギー分解能のおかげで、第1および第2の振動最大値を良好な統計的有意性で解明可能である。
• LAr TPCの微細なグリッド読み出しにより、π⁰バックグラウンドの効果的抑制が可能となり、系統誤差が低減され、結果として固有のνₑ成分が主な不消去的バックグラウンドとなる。
• この検出器は、10³⁴–10³⁵年範囲のプロトン崩壊に非常に高い感度を示し、特にマルチプリングおよびケトンを含む崩壊モードでは、数イベントレベルの発見に適した信号対バックグラウンド比を達成する。
• 本研究では、LAr TPCが水チェレンコフ検出器と比較して、多くのプロトン崩壊モードで検出効率が1桁向上することを示しており、優れたイメージング能力とバックグラウンド識別能力のおかげである。
• 658 kmの基準長は、基準長の長さとビームエネルギーの両方のバランスが取れており、振動特徴のエネルギー依存性を正確に測定することで、パラメータのデゲネラシーを解消するのに効果的である。
• 本論文は、さらなるR&Dおよびプロトタイプテストが進められる限り、100 ktonのLAr TPCを沖ノ島に設置することは、将来的な長基準長ニュートリノおよび核子崩壊物理学の実験として実現可能かつ競争力のある選択肢であると結論づけている。